Evreni ölçerken ve gözlemlerken güvenle söyleyebileceğimiz bir şey vardır. Gördüğümüz, dokunduğumuz ve başka yollarla etkileşime girdiğimiz tüm fiziksel nesneler uzayda belirli bir hacim kaplar.
Madde ister katı, ister sıvı, ister gaz ya da başka bir fazda bulunsun, kapladığı hacmi küçültmek için enerji harcamak gerekir. Sanki maddenin temel bileşenleri, üç boyutlu uzayda daha küçük bir yer kaplamaya zorlanmaya karşı direnç gösteriyormuş gibi davranır.
Ancak burada ilk bakışta paradoks gibi görünen bir durum ortaya çıkar. Maddenin en temel bileşenleri olan ve Standard Model kapsamında tanımlanan parçacıkların ölçülebilir bir hacmi yoktur.
Bu durumda şu soru ortaya çıkar. Hacmi olmayan varlıklardan oluşan maddeler nasıl olur da uzayda yer kaplar? Nasıl olur da gözlemlediğimiz dünya ve evren ortaya çıkar?
Madde Hacim İlişkisi Nedir?
Maddenin kendisini parçalayarak incelediğimizde, tanıdığımız her şeyin aslında daha küçük bileşenlerden oluştuğunu görürüz. Örneğin bir insan vücudu organlardan oluşur. Organlar hücrelerden meydana gelir. Yetişkin bir insanın vücudunda yaklaşık 80 ile 100 trilyon arasında hücre bulunur.
Bunların yalnızca yaklaşık 4 trilyonu, çoğu kişinin “vücudumuz” diye düşündüğü yapıları oluşturur. Kas-iskelet sistemi, bağ dokusu, dolaşım sistemi ve yaşamsal organlar bu gruba girer.
Hücreler aslında oldukça küçüktür. Tipik olarak yaklaşık 100 mikrometre çapındadırlar ve çoğu zaman tek tek görülebilmeleri için mikroskop gerekir. Ancak hücreler temel yapı taşları değildir. Daha küçük bileşenlere ayrılabilirler. Daha karmaşık hücrelerin içinde organel adı verilen yapılar bulunur. Bunlar hücre içinde belirli biyolojik görevleri yerine getiren özel yapılardır.
Her organel ise moleküllerden oluşur. Moleküllerin boyutu genellikle nanometre ölçeğindedir. Moleküller de atomlardan oluşur. Bir atomun tipik boyutu yaklaşık bir ångström kadardır. Bu yaklaşık olarak metrenin on milyarda birine karşılık gelir.
19. yüzyıl boyunca atomların doğanın en temel yapı taşları olduğu düşünülüyordu. Nitekim “atom” sözcüğü de “bölünemez” anlamına gelir. Ancak daha sonra yapılan deneyler atomların da daha küçük bileşenlerden oluştuğunu gösterdi. Atomların içinde elektronlar ve atom çekirdeği vardır.
Bugün bile elektronların daha küçük parçalara ayrıldığına dair bir kanıt yoktur. Bu nedenle elektronlar temel parçacıklardır. Atom çekirdekleri bile temel parçacıklar değildir.
Her atomun çekirdeği ya tek bir protondan oluşur ya da proton ve nötronların birleşiminden meydana gelir. Protonlar ve nötronlar da daha küçük bileşenlere ayrılabilir. Bunların içinde kuarklar ve gluonlar bulunur. Günümüzdeki deneysel ve gözlemsel sonuçlara göre gündelik yaşamda karşılaştığımız sıradan maddenin temel yapı taşları işte bu parçacıklardır: elektronlar, gluonlar ve kuarklar.
Peki Küçük Parçacıklar Maddeyi Nasıl Oluşturuyor?
Aslında inanılmaz küçük bu atomaltı parçacıkların bir araya gelerek hacme sahip bir madde oluşturmasını sağlayan 3 şey vardır. Bunun ilk nedeni kuantum fiziğindeki bir kuraldır. Bu kurala Pauli dışlama ilkesi denir. Bu kurala göre aynı türden iki parçacık tam olarak aynı durumda ve aynı yerde bulunamaz.
Parçacıklar iki gruba ayrılır: fermiyonlar ve bozonlar. Bozonların aynı yerde bulunmasına bir sınır yoktur. Ancak fermiyonlar için bu yasak geçerlidir. Elektronlar ve kuarklar fermiyon oldukları için aynı kuantum durumunu paylaşamazlar.
Bu yüzden iki elektron ya da iki kuark tam olarak aynı yerde bulunamaz. Parçacıkların kendi başına bir boyutu olmasa bile bu kural onların belirli bir mesafe ile ayrılmasını zorunlu kılar. Böylece madde tamamen üst üste yığılamaz ve uzayda belirli bir hacim kaplar.
İkinci neden, bu parçacıkların bazı temel özellikler taşımasıdır. Bu özellikler arasında elektrik yükü ve renk yükü bulunur.
- Elektrik yükü taşıyan parçacıklar elektromanyetik kuvvetle etkileşir. Bu etkileşimi fotonlar taşır.
- Bazı parçacıklar zayıf nükleer kuvvetle etkileşir. Bu kuvveti W ve Z bozonları taşır.
- Renk yükü taşıyan parçacıklar güçlü nükleer kuvvetle etkileşir. Bu kuvveti gluonlar taşır.
Bu kuvvetler parçacıkları birbirine bağlar. Böylece parçacıklar birleşir ve daha büyük yapılar oluşur.
Üçüncü etkense doğadaki tüm fermiyonların ve bazı bozonların ortak özelliği olan kütledir. Eğer bir şeyin kütlesi sıfırsa o şey hareketsiz kalamaz. Hareketsiz kalamaması bir yana bir de ışık hızıyla hareket etmek zorundadır. Mesela buna en güzel örnek fotonlardır. Yanı sıra gluonlar ve kütleçekim dalgaları da kütlesiz olup ışık hızında hareket eder.
Dolayısıyla bir şeyin kütlesinin olması onun yavaş hareket ettiği hatta bazen durgun olduğu anlamına gelir. Atomun yapısındaki elektronlar ve kuarklar da kütleli olduğundan buna tabiidir. Bu sayede bu parçacıklar belli bir yerde toplanıp maddeyi meydana getirebilir.
Sonuç olarak;
Atomun büyük çoğunluğunun boşluk olduğunu söylemek aslında pek doğru değildir. Çünkü yukarıda da anlattığımız gibi, parçacıklar arasındaki etkileşimler nedeniyle o boşluklar vardır. Bu nedenle hayalet Casper gibi duvardan geçemezsiniz. Parçacıklar arasında etkileşim olması oranın tam olarak boş olduğu anlamına gelmez. Sonuçta orada bir kuvvet vardır.
Kısacası Pauli dışlama ilkesi, parçacıklar arasındaki etkileşim sonucu doğan kuvvetler ve kütle, atomun hacim kazanmasını sağlar. Bu sayede atomlardan oluşan maddenin kendisi de hacim kazanır.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- The idea that matter is mostly empty space is mostly wrong ; Bağlantı: The idea that matter is mostly empty space is mostly wrong – Big Think ; Yayınlanma tarihi: 19 Nisan 2024
- If atoms are mostly empty space, why do objects look and feel solid? ; Bağlantı: If atoms are mostly empty space, why do objects look and feel solid? (theconversation.com) ; Yayınlanma tarihi: 16 Şubat 2017
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
